在网络设备设计中,项目组必须根据可扩展性、可编程性、总成本和上市时间等因素在ASIC和ASSP之间作出选择。通常在设计网络系统中的成帧器、映射器、串行/解串交换机和CPU时采用ASSP较简单,但在设计交换结构的专有功能、NPU或流量管理器时采用ASIC。本文根据不同的系统应用要求对两者进行详尽的对比分析。
网络产品开发过程中最重要一步是规范定义和系统结构设计。采用自顶向下的方法定义和设计系统结构很重要,并需要特别注意系统功能划分,以及线路卡或交换卡等子系统的设计。如果在早期设计阶段出错或选择不当,将可能在从设计实现到产品投产的过程中出现这样或那样的问题。
在线路卡和交换结构中通常包含一组复杂的部件,包括成帧器、映射器、并串/串并行转换器、光模块和CPU。这些部件通常用于实现基本功能和标准功能,因而可以用ASSP安全、经济高效地实现。但是在这些系统中还有一些其它的重要部分需要考虑,包括MAC、交换结构、信息流量管理器以及网络处理单元(NPU)。系统开发商正是通过对这些部件的不同设计实现了产品功能、性能和成本的差异化,交换结构、NPU和流量管理器还使开发商可以在网络的第二层实现关键意义上的独特特性,而第二层正是网络系统的硬件直接与固件相互衔接的地方,固件则与第三层以及更高层通信(见图1)。
网络设备设计中的ASIC和ASSP
对于NPU、流量管理器、交换结构以及其它一些部件,项目组必须考虑清楚在什么时候和为何目的定制ASIC,以及哪些功能可以通过购买ASSP器件来实现。“定制”和“购买”是基于综合多方面的因素来考虑,包括产品面市时间、开发商的资金状况和工程资源,以及产品当前需要实现的功能和今后的扩展功能。后者包括实现产品的差异化,以及能否在下一代产品中轻松实现新的功能。
通过先定义所期望的特性,然后就可以将这些特性对应到任何现有的ASSP中去,看这些功能用ASSP实现所需的成本是否过高,或者是否会存在一些长期的不利因素。在进行这类决策的过程中,项目组通常会发现在性能和成本之间难以平衡,而通常采用ASIC可以较好地解决这些问题。
在设计早期进行关键决策时,必须考虑系统的可扩展性或部件的可扩展性,这样可以简化下一代产品的设计。网络设备的生命周期很少有超过12到18个月的,因而项目组必须对此有充分准备,从一开始就考虑到产品今后的更新换代问题。在某些情况下,第一代产品需要用ASIC来设计,而其后的则可用ASSP来实现。ASIC与ASSP之间选择还可能影响到软件的实现,因为随着产品更新,还必须设计新的软件。
一般而言,采用ASIC实现产品的差异化更加容易,系统设计工程师可以在产品中加入一些处于技术前沿的特定功能。对于业务提供商而言,他们关心的是提高网络性能、推出新业务以及增大网络容量以吸纳更多用户,并提高带宽利用率,而系统设备生产商对这些需求情况了解最清楚,他们可以比ASSP开发商更早地发现网络中所需的新功能。与ASIC相比,ASSP的设计周期相对较长,有时会落后一年甚至更久,因此,采用ASSP的系统常常难以满足用户对性能的需求。
软件和固件
软件对网络系统的重要性决不能低估。随着联网系统的速度和带宽越来越高,软件开发和集成问题变得越来越重要,而且还将影响设计初期在ASIC/ASSP间的选择,因为此时必须考虑系统需要对固件设计的投入,以及如何将固件与中间件和更高层的软件集成起来。
网络系统的软、硬件通常都很复杂,因此项目组必须考虑ASIC厂商或者ASSP厂商能否提供技术支持。采用ASIC设计时,通常会有一个“问题列表”(bug list),一旦发现问题可以得到快速解决。而采用ASSP设计时,则没有这类支持帮助,因此工程师们很可能因为一个ASSP厂商没有告知的问题而使设计陷入困境。采用ASIC进行设计时,在对部件进行调试时,通常无需依靠外部资源。
此外,ASIC还可以缩短开发第三级固件(level 3 firmware)所需的时间,并简化开发过程。由于市场上大多数NPU中都没有标准固件(至少目前还没有),所以用户很容易受限于提供商的软件结构。另外,如果采用ASIC设计,那么项目组也更容易根据PCB设计的要求来定义自己的电接口,而不必依靠ASIC/ASSP供应商提供的接口。
可编程性、灵活性和可扩展性
在设计中采用ASIC的另一个好处是这些器件的功能都是针对系统要求开发的,因而软件开发相对容易。而ASSP用于网络处理时则必须对第二层和第三层的特性作一定的组合和改动,要求寄存器和指令集具备可编程性和灵活性。这样的结果就可能使NPU的编程工作变得非常复杂,因为程序员必须去学习相应的规范和编程模型,而如果不采用ASSP则可以完全不用了解这些规范和编程模型,程序员还必须为这些根本不会用到的功能特性而绞尽脑汁,占用大量时间而毫无意义。通常ASSP NPU是为具备很多功能(如分组头处理、插入或删除、多播、广播或带宽管理)的电路板设计的,因此它常常包含很多针对某个特定的应用而言可能根本毫无用处的功能,而那些有用的功能可很容易地嵌入到ASIC引擎中。
此时,必须再一次考虑到设计的长远利益和系统的可扩展性。在第一代设计中采用ASIC可为设计带来更大的灵活性,而且在其后进行产品换代时的功能扩展中,ASIC也有其固有的简便性。项目组必须考虑清楚,他们是否能够承担因专注于一个特定ASSP厂商的产品结构而带来的压力,因为ASSP可扩展性不足,而且在设计下一代系统中的其它部件时还会增加额外的成本。但ASSP对一些关键的分组处理功能而言则是不错的选择,设计师在设计这些功能时不需要提供很大的灵活性,只需满足系统的一般要求,而不用关心系统的可扩展性。ASIC在网络传输系统中通常的应用如图2所示。
当然,采用ASIC还是有缺点,最明显的一点是项目组采用ASIC进行设计时需要大量的工程资源,包括时间和初始投入。当然,这类消耗可以由ASIC在生产中比ASSP和FPGA更低的成本来弥补,然而实际情况并非总是如此。采用ASIC时的非经常性工程(NRE)成本通常较高,虽然已有ASIC生产商欲通过固架构ASIC和多项目晶圆降低NRE,但这方面的工作才刚开始。
作者:Asif Hazarika
高级系统结构设计师
富士通微电子(美国)公司
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